L'originario modello a tre quark (up,down,strange) proposto da Gell-Mann e
Zweig, consentiva di spiegare le proprietà (massa, carica elettrica, spin e
stranezza) di tutte le particelle note, e fu ritenuto valido fino a quando non fu
scoperta nel 1974 una nuova particella con una massa di 3,1 Gev, la cui
esistenza, diversamente da quanto si era verificato per il barione
W-, non era
prevista dal modello.
La nuova particella fu scoperta indipendentemente da due
gruppi di ricerca: il gruppo del Brookhaven National Laboratory ,che le diede il
nome di J, ed il gruppo dello SLAC (Stanford Linear Accelerator Center -
California), che le diede il nome di Y.
La nuova particella, che risultava essere un mesone neutro, con spin unitario,
venne prodotta facendo collidere elettroni e positroni di alta energia in un anello
di accumulazione, che è uno speciale acceleratore circolare nel quale circolano in
versi opposti un fascio di elettroni ed uno di positroni,che vengono accelerati e fatti collidere,
grazie ad opportuni campi magnetici deviatori, in due o più punti della loro
traiettoria circolare, in corrispondenza dei quali si verifica l'annichilazione
delle coppie elettrone-positrone e la formazione di un fotone di alta energia.
Successivamente il fotone, attraverso i suoi prodotti di decadimento, dà origine
alla particella Y.
Per includere la nuova particella nel modello a quark, fu
necessario introdurre un nuovo tipo di quark, il quark charm (incanto),con
spin 1/2 e carica elettrica 2/3, così denominato perchè consentiva di spiegare,
come era avvenuto per il quark strange, il lento decadimento della nuova
particella, la quale, essendo un adrone, dovrebbe decadere in un intervallo di
tempo di 10-23 s, tipico delle particelle soggette all'interazione subnucleare
forte, mentre si osserva il suo decadimento in tre pioni (positivo,negativo e
neutro) in circa 10-20 s.
La particella Y
è formata da una coppia quark charm
(c)- antiquark charm (/c),con carica elettrica totale nulla (2/3 - 2/3), i cui
spin si sommano dando lo spin unitario osservato.
Bisogna considerare che i
quark non sono stati mai osservati allo stato libero, in quanto le forze
subnucleari forti che li legano per formare gli adroni (mesoni e barioni), sono
caratterizzate da un'intensità che aumenta considerevolmente al crescere della distanza tra i
quark, il che implica grandissime energie di legame,di gran lunga maggiori
dell'energia disponibile negli attuali acceleratori (2000 Gev).
L'esistenza dei
quark viene pertanto dedotta indirettamente, attraverso le proprietà delle
particelle che derivano dalle loro combinazioni.
La riformulazione del modello a
quark, resa necessaria dalla scoperta della particella Y e
dall' implicita
scoperta del nuovo "sapore" charm, in aggiunta ai "sapori" up, down e strange, consentiva
tra l'altro di spiegare, per una legge di simmetria, l'assenza di osservazioni
sperimentali di decadimenti di particelle contenenti il quark strange in
particelle contenenti il quark down.
Questi decadimenti,denominati decadimenti
neutri con cambiamento di sapore, in quanto entrambi i quark hanno la stessa
carica elettrica e sapori diversi, si spiegano con il fatto che il quark charm
(c) tende preferenzialmente a decadere in un quark strange, emettendo un bosone
intermedio W+, la cui carica positiva consente di rispettare la legge di
conservazione della carica elettrica :
(2/3 = -1/3 + 1) : c --> s + W+.
Si
osservano invece normalmente decadimenti di particelle contenenti quark down in
particelle contenenti quark up
( -1/3 = 2/3 - 1) : d --> u + W-,
mentre non
sono stati mai osservati decadimenti di particelle contenenti quark charm in
particelle contenenti quark up.
E' stata così introdotta la seconda generazione
di quark (charm-strange), corrispondente alla seconda generazione di leptoni
(muone e neutrino muonico) , in aggiunta ai quark (up e down) ed ai leptoni
(elettrone e neutrino elettronico) della prima generazione, che costituiscono la
materia ordinaria.
Le particelle elementari (con le rispettive antiparticelle)
formate dai quark della seconda generazione erano molto più abbondanti nelle
fasi iniziali della formazione dell'universo, quando le energie erano così
elevate da favorirne la generazione, e la struttura della materia si basava
esclusivamente su quark charm, strange, muoni e neutrini muonici, con le
rispettive antiparticelle.
Nel 1977, presso il Fermilab di Chicago, a
conclusione di un lungo periodo di ricerche iniziate nel 1967 a Brookhaven
studiando le coppie muone-antimuone ottenute bombardando nuclei di uranio con
protoni da 30 GeV, fu scoperta una nuova particella pesante, il mesone Y, con
una massa intorno a 10 Gev, la particella più pesante mai creata, fino ad
allora, in urti di alta energia.
Per inserire la nuova particella nel modello
standard, con considerazioni analoghe a quelle che condussero all'introduzione
del quark charm, fu necessario, data la bassa velocità di decadimento del mesone
Y, ipotizzare l'esistenza di una nuova coppia quark-antiquark.
Fu così individuato il
quinto quark, al quale fu dato il nome di bottom (basso) o beauty (bellezza),con
spin 1/2 e carica elettrica -1/3, con il rispettivo antiquark.
La scoperta del
sesto quark, con massa di 174 GeV e carica elettrica 2/3, cui fu dato il nome di
top (alto) o truth (verità),ebbe luogo al Fermilab nel 1995, dopo circa 15 anni
di ricerche infruttuose,data l'elevata massa del quark top (circa 187 volte più
pesante del protone e 35000 volte più pesante del quark up).
Fu necessario
raggiungere l'energia di 1800 Gev per registrare un sufficiente numero di quark
top in collisioni protone-antiprotone,utilizzando un sofisticatissimo sistema di
rilevamento dei prodotti di decadimento.
Gli urti protone-antiprotone generavano
un quark top ed un antiquark top, che decadevano rispettivamente in coppie
quark bottom-bosone intermedio W+ ed antiquark bottom-bosone intermedio W- :
p + /p ---> t + /t ;
t ---> b + W+ ;
/t ---> /b + W- .
Per quanto riguarda i
leptoni, nel 1977 presso lo SLAC fu scoperto il leptone tau (tauone),avente una
massa di circa 1,8 Gev, osservando i prodotti di decadimento di esso sia in
antimuoni ,neutrini muonici ed antineutrini tauonici,sia in elettroni,
antineutrini elettronici e neutrini tauonici.
Le masse dei tre tipi di neutrini,
in prima approssimazione considerate nulle, hanno valori molto piccoli, compresi
tra 2,5 eV e 17 Mev, e sono tuttora oggetto di sofisticate ricerche finalizzate
a studiare la trasformazione di un tipo di neutrino negli altri due (esperimenti
giapponesi con il SuperKamiokande sull' oscillazione della massa dei neutrini).
Pertanto, con la scoperta del sesto quark, il modello standard è stato
aggiornato includendo la terza generazione di quark (top e bottom) e la terza
generazione di leptoni (tau e neutrino tauonico), con le corrispondenti
antiparticelle.
Le particelle della terza generazione erano molto abbondanti
nelle fasi iniziali della formazione dell'universo, ad energie molto più
elevate di quelle compatibili con la seconda generazione di particelle.
In altri
termini, la simmetria del modello standard evidenzia l'esistenza di altre due
possibili strutture della materia, analoghe a quella della materia ordinaria a
noi nota, basata sui leptoni ed i quark della prima generazione.
Le forze fondamentali dell'universo sono quattro:
la forza gravitazionale, la forza subnucleare debole,la forza elettromagnetica
e la forza subnucleare forte.
La forza gravitazionale è descritta in
fisica classica dalla legge newtoniana della gravitazione universale (1686), ed
in fisica relativistica dalla teoria della relatività generale di Einstein
(1916).
La teoria newtoniana, valida tuttora come teoria di prima
approssimazione, consente di effettuare calcoli di meccanica celeste
sufficientemente accurati nella maggior parte dei casi.
Essa si basa sulla legge di
gravitazione universale che descrive la forza attrattiva che agisce tra due
masse puntiformi M1 ed
M2 , o tra due masse assimilabili a masse puntiformi
(punti materiali), poste ad una distanza R l'una dall'altra:
F = G M1 M2/ R2
, dove G è una costante universale.
La forza attrattiva gravitazionale è
direttamente proporzionale al prodotto delle masse, inversamente proporzionale
al quadrato della loro distanza e si annulla al tendere di R all'infinito.
La
teoria della relatività generale di Einstein si basa invece sull'interpretazione
geometrica della gravitazione, derivante dalla considerazione che in un campo
gravitazionale, in assenza di altre forze, come per esempio quelle
fluidodinamiche che agiscono sui corpi in moto nei fluidi , tutti i corpi,
indipendentemente dalla loro massa, si muovono seguendo la stessa legge,
conformemente a quanto enunciò Galileo Galilei.
Einstein affermò che la
gravitazione è una proprietà dello spazio-tempo, la cui geometria dipende dalla
distribuzione e dal movimento delle masse gravitazionali, nel senso che la
geometria dello spazio, di tipo euclideo in assenza di masse gravitazionali,
diventa non euclidea in presenza di esse.
La massa ha la proprietà di curvare lo
spazio-tempo; pertanto la traiettoria rettilinea che un corpo seguirebbe nello
spazio euclideo in assenza di altre masse, viene trasformata in una traiettoria
non rettilinea in uno spazio reso non euclideo dalla presenza di altre masse che
alterano la curvatura dello spazio-tempo.
La teoria einsteiniana consente di
effettuare calcoli di meccanica celeste molto più accurati di quelli basati
sulla teoria newtoniana, ed è fondamentale per lo sviluppo delle teorie
sull'evoluzione dell'universo (teorie cosmologiche).
La forza gravitazionale è
la più debole delle forze dell'universo, 1038 volte meno intensa della forza
subnucleare forte agente tra i quark, essendo molto piccolo il valore della
costante universale G ; i suoi effetti sono importanti solo in presenza di
grandi distribuzioni di massa (stelle, pianeti, galassie).
La forza
elettromagnetica attrattiva o repulsiva agente tra due cariche puntiformi
Q1 e
Q2,
o tra due cariche assimilabili a cariche puntiformi, poste ad una distanza R
l'una dall'altra, è data dalla legge
F = K Q1 Q2/ R2 ,
dove K è una costante
universale.
Essa è' matematicamente analoga alla legge di gravitazione universale di
Newton, è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche, inversamente
proporzionale al quadrato della loro distanza, e si annulla al tendere di R
all'infinito.
L'intensità della forza elettromagnetica è 1/1000 di quella della
forza subnucleare forte.
In fisica classica la sintesi della descrizione dei
fenomeni elettrici e magnetici fu effettuata da James Clerk Maxwell nella
seconda metà del secolo XIX.
Dopo la formulazione della meccanica quantistica
relativistica di Dirac (1928), fu sviluppata la teoria quantistica
dell'elettromagnetismo, nota come elettrodinamica quantistica (Q.E.D. - Quantum
Electro-Dynamics), perfezionata ulteriormente dai fisici (Nobel 1965)
Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger e Richard Feynman , che l'hanno
trasformata in una teoria coerente e completa , capace di fornire risultati
molto accurati per tutte le interazioni elettromagnetiche tra particelle
elementari.
In elettrodinamica quantistica la forza attrattiva o repulsiva tra
due particelle cariche si schematizza con lo scambio di un fotone virtuale
(g),
il cui trasferimento da una particella all'altra non viola il principio di
conservazione dell'energia, purchè il tempo di transito e l'energia messa in
gioco siano compatibili con il principio di indeterminazione di Heisenberg:
quanto maggiore è l'energia
DE del fotone,
tanto minore deve essere il relativo tempo di transito D
t
(DE .
Dt
~= h/(2 p)) .
La forza subnucleare debole, responsabile
dei fenomeni di decadimento radioattivo dei nuclei atomici e delle particelle
elementari instabili, è 1013 volte più debole della forza subnucleare forte,
ed ha un range cortissimo (10-15 cm), cioè si annulla per piccolissime distanze
tra le particelle sensibili ad essa, i leptoni (elettroni, muoni,tauoni e
rispettivi neutrini) ed i quark.
La prima teoria sulle forze deboli si deve ad Enrico Fermi
(1934); infatti le forze deboli si chiamano anche forze di Fermi.
Successivamente, nel contesto della ricerca di una teoria unificata delle 4
forze fondamentali, negli anni '60, indipendentemente l'uno dall'altro, i fisici
(Nobel 1979) Sheldon Lee Glashow e Steven Weinberg della Harvard University e
Abdus Salam del Centro Internazionale di fisica teorica di Trieste, svilupparono
una teoria unificata delle interazioni debole ed elettromagnetica (teoria
unificata delle forze elettrodeboli).
La teoria elettrodebole, basata sullo
scambio dei bosoni virtuali intermedi W+, W- e Z°,con spin 1, successivamente
rivelati al CERN dai fisici (Nobel 1984) Carlo Rubbia e Simon Van der Meer,
estende alle interazioni deboli il modello dell' elettrodinamica quantistica basato sullo
scambio di fotoni e quello che nel 1935 Hideki Yukawa
(Nobel 1949) applicò per formulare la prima teoria delle forze nucleari agenti tra protoni e neutroni,
dovute allo scambio dei mesoni p (pioni),
successivamente scoperti nel 1947 da Powell (Nobel 1950),
Occhialini, Muirhead
e Lattes negli sciami di particelle della radiazione cosmica.
La teoria
elettrodebole di Glashow,Salam e Weinberg evidenzia che alle alte energie
(maggiori di 100 Gev, valore caratteristico dell'unificazione elettrodebole), le
forze elettromagnetica e debole tendono ad assumere la stessa intensità, e si
possono ricondurre allo stesso meccanismo di scambio di bosoni, il fotone per le
interazioni elettromagnetiche ed i bosoni W e Z° per le interazioni deboli.
Rimane da rivelare un ulteriore bosone, il bosone di Higgs, la cui esistenza fu
proposta nel 1964 da Peter Higgs dell'università di Edimburgo,per spiegare la
differenziazione, alle basse energie, della forza debole da quella
elettromagnetica.
La scoperta del bosone pesante, neutro,di Higgs, con spin
zero, che i fisici sperano possa verificarsi con il nuovo superacceleratore LHC
(Large Hadron Collider) del CERN, consentirebbe di spiegare la rottura di
simmetria delle interazioni elettrodeboli, con l'acquisto di massa da parte dei
bosoni intermedi W e Z°, vettori della forza debole, e la separazione del fotone
,privo di massa a riposo, che è il vettore della forza elettromagnetica.
La forza subnucleare forte è la più intensa delle forze fondamentali, ed agisce sia tra i
nucleoni,mediata dallo scambio di pioni secondo il modello di Yukawa, sia tra i
quark che compongono gli adroni (mesoni e barioni), mediata dallo scambio di
otto tipi di bosoni con spin 1 e massa nulla, denominati gluoni (dal latino glus
= colla).
E' una forza con range cortissimo (10-13 cm), ed aumenta
rapidamente al crescere della distanza tra i quark, implicando energie di
legame grandissime per i quark che compongono gli adroni, e quindi
l'impossibilità di rivelare quark isolati.
Prendendo spunto dall'elettrodinamica
quantistica, è stata formulata una teoria analoga, la cromodinamica quantistica
(Q.C.D. - Quantum Chromo-Dynamics), la quale , coerentemente con il principio
di Pauli,che impone ai quark ,aventi tutti spin 1/2, di non occupare lo
stesso stato quantico, considera, in aggiunta ai "sapori" dei quark
(up,down,strange, charm,bottom e top), i cosiddetti "colori" (rosso,verde e
blu), che sono dei parametri convenzionali (cariche di colore), che,
analogamente alle cariche elettriche,che sono le sorgenti del campo elettromagnetico,
oltre a costituire le sorgenti della forza subnucleare forte (cioè del campo cromatico) consentono altresì,
distinguendo un quark da un altro, di non violare il principio di Pauli
nel caso dei quark aventi lo stesso sapore all'interno degli adroni.
Tutti i barioni sono formati da 3 quark con colori tali che la loro somma dia il bianco (rosso
+ verde + blu = bianco).
Nel caso dei mesoni, invece, formati da un quark e da
un antiquark, il colore del quark neutralizza l'anticolore dell'antiquark.
Complessivamente, essendo 6 i "sapori" dei quark, si considerano 18 quark
"colorati" ed i corrispondenti 18 antiquark.
Un quark si considera schermato da
una nuvola di gluoni virtuali e di coppie virtuali quark-antiquark, che vengono
continuamente emessi e riassorbiti.
La forza subnucleare forte tra due quark o tra un quark ed un
antiquark è dovuta allo scambio di 8 tipi diversi di gluoni, due incolori, che cioè non
trasportano "cariche di colore" e 6 bicolori, che trasportano ciascuno una coppia
carica-anticarica di colore (colore-anticolore):
rosso-antiverde, rosso-antiblu, verde-antirosso,
verde-antiblu, blu-antirosso, blu-antiverde, avendo definito, con la convenzione adoperata
in colorimetria, come anticolore un colore che aggiunto al colore dato dia il bianco.
Per esempio, l'antirosso, che si ottiene sommando luce verde e luce blu, corrisponde al
colore azzurro (ciano), che è l'anticolore (colore complementare) del rosso,
poichè sommando luce azzurra (verde + blu) e luce rossa si ottiene luce bianca (rosso + verde + blu).
Analogamente l'antiverde, che si ottiene sommando luce rossa e luce blu, corrisponde al colore
porpora , che è l'anticolore del verde, mentre l'antiblu, che si ottiene sommando luce rossa e luce verde,
corrisponde al colore giallo, che è l'anticolore del blu.
La differenza tra i fotoni, quanti del campo elettromagnetico, ed i gluoni, quanti
del campo gluonico, sta nel fatto che, mentre il fotone non trasporta carica
elettrica, 6 degli 8 tipi di gluoni,invece, trasportano cariche ed anticariche di colore.
Come in elettrodinamica classica ed in elettrodinamica quantistica (Q.E.D.) è fondamentale il principio
di conservazione della carica elettrica, così in cromodinamica quantistica (Q.C.D.) vale
il principio di conservazione della carica di colore (carica cromatica) di un insieme di quark, antiquark
e gluoni, nel senso che, pur variando i colori e gli anticolori dei quark e dei gluoni,
la loro somma (colore risultante) deve mantenersi costante.
Per esempio, se un quark rosso emette un gluone rosso-antiverde che viene assorbito da un quark verde,
i colori dei quark vengono scambiati, ma il colore totale (giallo = rosso + verde) si conserva:
- colore totale iniziale : quark1-rosso + quark2-verde = giallo;
- colore totale dopo l'emissione del gluone rosso-antiverde:
quark1-verde + gluone rosso-antiverde + quark2-verde = giallo
(verde ed antiverde si neutralizzano dando il bianco);
- colore totale dopo l'assorbimento del gluone rosso-antiverde:
quark1-verde + quark2-rosso = giallo.
Se successivamente il secondo quark (rosso) emette un gluone rosso-antiverde che viene assorbito dal primo quark (verde),
i colori dei quark vengono di nuovo scambiati, mentre il colore totale (giallo) si conserva:
- colore totale iniziale : quark1-verde + quark2-rosso = giallo;
- colore totale dopo l'emissione del gluone rosso-antiverde:
quark1-verde + gluone rosso-antiverde + quark2-verde = giallo;
- colore totale dopo l'assorbimento del gluone rosso-antiverde:
quark1-rosso + quark2-verde = giallo.
I quark e gli antiquark sono soggetti a tutte e 4 le forze fondamentali: forte,
elettromagnetica, debole e gravitazionale.
I leptoni carichi (elettroni,muoni e
tauoni) sono soggetti alle interazioni elettromagnetica, debole e
gravitazionale.
I leptoni neutri (neutrini) sono soggetti alle interazioni
debole e gravitazionale.
Il modello standard, basato sulla teoria elettrodebole e sulla cromodinamica
quantistica, non ha finora consentito di includere in esso, in modo coerente,
una teoria quantistica della gravitazione, basata sullo scambio di quanti di
energia gravitazionale , i gravitoni, con massa nulla e spin 2.
I fisici hanno
da tempo formulato varie teorie tendenti ad unificare ad altissime energie, in
un'unica teoria supersimmetrica, tre o tutte e quattro le forze fondamentali
della natura, rispettivamente a 1016 Gev (valore corrispondente all'unificazione
delle forze forte ed elettrodebole) ed a 1018 Gev (valore corrispondente alla
scala di Planck della teoria quantistica della gravità).
La teoria
supersimmetrica potrebbe descrivere la struttura della materia nei primissimi
istanti di formazione dell'universo, 1,4*10-43 secondi dopo il Big Bang, quando
l'universo aveva dimensioni dell'ordine della scala di Planck, 4,1*10-35 metri,
ed una temperatura di 3,6*1032 °K.
Tuttavia, le varie teorie proposte ,dalle Teorie della Grande Unificazione (G.U.T.), che rappresentano con un' unica interazione supersimmetrica le interazioni forte ed elettrodebole, alle Teorie del Tutto (T.O.E. - Theory Of Everything) ,che
rappresentano unitariamente le interazioni elettrodebole,forte e gravitazionale [ per es. la teoria delle superstringhe (o supercorde)], non riescono a fornire una rappresentazione coerente di tutte le particelle finora scoperte.
Le difficoltà consistono nell'unificare la
meccanica quantistica, che è alla base del modello standard, e la teoria
relativistica della gravitazione, che è una teoria classica, non basata cioè
sulla quantizzazione dello spazio-tempo.
